ניצול של אינטראקציה אגל-פני השטח מופחת למטב תחבורה של Bioanalytes במיקרופלואידיקה הדיגיטלי
Summary
The protocol for fabrication and operation of field dewetting devices (Field-DW) is described, as well as the preliminary studies of the effects of electric fields on droplet contents.
Abstract
Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of “lab-on-a-chip” platforms. Often, droplet motion relies on the wetting of a surface, directly associated with the application of an electric field; surface interactions, however, make motion dependent on droplet contents, limiting the breadth of applications of the technique.
Some alternatives have been presented to minimize this dependence. However, they rely on the addition of extra chemical species to the droplet or its surroundings, which could potentially interact with droplet moieties. Addressing this challenge, our group recently developed Field-DW devices to allow the transport of cells and proteins in DMF, without extra additives.
Here, the protocol for device fabrication and operation is provided, including the electronic interface for motion control. We also continue the studies with the devices, showing that multicellular, relatively large, model organisms can also be transported, arguably unaffected by the electric fields required for device operation.
Introduction
המזעור של מכשירים שעובדים עם נוזלים הוא בעלת חשיבות עליונה לפיתוח של פלטפורמות "מעבדה-על-שבב". בכיוון זה, בשני העשורים האחרונים היינו עדים להתקדמות משמעותית בתחום מיקרופלואידיקה, עם מגוון רחב של יישומים. 1-5 בניגוד גמור להובלת נוזלים בערוצים סגורים (מיקרופלואידיקה ערוץ), DMF מתפעל טיפות על מערכים של אלקטרודות. אחת הסגולות הכי האטרקטיביים של טכניקה זו הוא היעדר חלקים נעים להובלת נוזלים, והתנועה היא עצרה באופן מיידי על-ידי כיבוי אותות חשמליים.
עם זאת, תנועת טיפה תלויה בתוכן אגל, בהחלט אופיינית רצויה לפלטפורמה אוניברסלית "מעבדה-על-שבב". טיפות המכילות חלבונים וanalytes אחרות נדבקות למשטחי מכשיר, הופכות אינם ניתן להעברה. ניתן לטעון, זה היה המגבלה העיקרית להרחבת היקף יישומי DMF; 6-8חלופות כדי למזער את עכירות המשטח רצויה כרוכות בתוספת של מינים כימיים נוספים לטיפה או בסביבותיה, אשר עלול להשפיע על תוכן אגל.
בעבר, הקבוצה שלנו פיתחה מכשיר כדי לאפשר ההובלה של תאים וחלבונים בDMF, ללא תוספים מיותרים (מכשירי שדה-DW). 9 זו הושגה על ידי שילוב של פני השטח המבוסס על פיח נר, 10 עם גיאומטריה מכשיר שתומכת בגלגול אגל ומוביל לכוח כלפי מעלה על אגל, ירידת אינטראקציה אגל-פני השטח נוסף. בגישה זו, תנועת אגל אינה קשורה להרטבת משטח. 11
מטרת השיטה מפורטת המתוארת להלן היא לייצר מכשיר DMF מסוגל להעביר טיפות המכילות חלבונים, תאים, וכל יצורים, ללא תוספים נוספים. מכשירי שדה-DW לסלול את הדרך לפלטפורמות שליטה מלאה עבודה במידה רבה באופן עצמאי של כימאי אגלר"י.
הנה, אנחנו גם סימולציות הנוכחיות מראים כי, למרות המתח הגבוה הנדרש להפעלת מכשיר, ירידת המתח על פני רביב היא חלק קטן מהמתח להחיל, המצביעה על השפעות זניחות על bioanalytes בתוך הטיפה. למעשה, בדיקות ראשוניות עם elegans Caenorhabditis (סי אלגנס), נמטודות המשמשת למגוון רחב של מחקרים בתחום ביולוגיה, מראות כי תולעים לשחות ללא הפרעה כמתח מוחלים.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלב הקריטי ביותר של הפרוטוקול הוא ההגנה על שכבת הפיח, ישירות הקשורות להצלחה בהעברת טיפות. Metallizing שכבת הפיח (שיטת 1 לעיל) מאפשר קרוב להצלחת ייצור 100%. עם זאת, זמן פעולה המרבי היא כ -10 דקות; אולי, שברי טיפה הם מרטיבים את הפיח דרך חורים בשכבת המתכת. ציפוי שכבת הפיח עם נוזל פלו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לקרן Lindback לתמיכה כספית, וד"ר אלכסנדר Sidorenko ואלזה צ 'לדיונים פוריים וסיוע טכני, והפרופסור רוברט סמית' לקבלת סיוע בג מבחני elegans.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Paraffin candle | Any paraffin candle | ||
| Sputtering system | Denton Vacuum, Moorestown, NJ | Sputter coater Desk V HP equipped with an Au target. | |
| 1-dodecanethiol | Sigma-Aldrich | 471364 | |
| Teflon | Dupont | AF-1600 | |
| Fluorinert FC-40 | Sigma-Aldrich | F9755 | Fluorinated liquid: Prepare Teflon-AF resin in Fluorinert FC-40, 1:100 (w/w), to create the hydrophobic coating. |
| Graphic design software -Adobe Illustrator | Adobe Systems | Other softwares might be used as well. | |
| Copper laminate | Dupont | LF9110 | |
| Laser Printer | Xerox | Phaser 6360 or similar | Check for the compatibility with "rich black" or "registration black" (see text). |
| Copper Etchant | Transene | CE-100 | |
| Perfluoroalkoxy (PFA) film | McMaster-Carr | 84955K22 | |
| Breadboard | Allied Electronics | 70012450 or similar | Large enough to allow the assemble of 10 drivers. |
| Universal circuit board | Allied Electronics | 70219535 or similar | |
| Connector | Allied Electronics | 5145154-8 or similar | |
| Control board and control program (LabView software) | National Instruments | NI-6229 or similar | |
| High-voltage amplifier | Trek | PZD700 | |
| Resistor R 27 kΩ, 1/4 W | Allied | 2964762 | |
| Capacitors C and C1, 100 nF, 60 V | Allied | 8817183 | |
| Transistor T, NPN | Allied | 9350289 | |
| Diode D, 1N4007 | Allied | 2660007 | |
| Relay | Allied | 8862527 | |
| Visualization system | Edmund Optics | VZM 200i or similar | System magnification 24X- 96X. It is combined with a Hitachi KP-D20B 1/2 in CCD Color Camera. |
| Recorder | Sony | GV-D1000 NTSC or similar | It is connected to the camera by an S-video cable. |
| Simulations | COMSOL Multiphysics | V. 4.4 |
References
- Fair, R. B. Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible. Microfluid Nanofluid. 3 (3), 245-281 (2007).
- Gupta, S., Alargova, R. G., Kilpatrick, P. K., Velev, O. D. On-Chip Dielectrophoretic Coassembly of Live Cells and Particles into Responsive Biomaterials. Langmuir. 26 (5), 3441-3452 (2009).
- Shih, S. C., et al. Dried blood spot analysis by digital microfluidics coupled to nanoelectrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem. 84 (8), 3731-3738 (2012).
- Gorbatsova, J., Borissova, M., Kaljurand, M. Electrowetting-on-dielectric actuation of droplets with capillary electrophoretic zones for off-line mass spectrometric analysis. J Chromatogr. 1234, 9-15 (2012).
- Qin, J., Wheeler, A. R. Maze exploration and learning in C. elegans. Lab Chip. 7 (2), 186-192 (2007).
- Koc, Y., de Mello, A. J., McHale, G., Newton, M. I., Roach, P., Shirtcliffe, N. J. Nano-scale superhydrophobicity: suppression of protein adsorption and promotion of flow-induced detachment. Lab Chip. 8 (4), 582-586 (2008).
- Perry, G., Thomy, V., Das, M. R., Coffinier, Y., Boukherroub, R. Inhibiting protein biofouling using graphene oxide in droplet-based microfluidic microsystems. Lab Chip. 12 (9), 1601-1604 (2012).
- Kumari, N., Garimella, S. V. Electrowetting-Induced Dewetting Transitions on Superhydrophobic Surfaces. Langmuir. 27 (17), 10342-10346 (2011).
- Freire, S. L. S., Tanner, B. Additive-Free Digital Microfluidics. Langmuir. 29 (28), 9024-9030 (2013).
- Deng, X., Mammen, L., Butt, H. -. J., Vollmer, D. Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating. Science. 335, 67-70 (2011).
- Kang, K. H. How Electrostatic Fields Change Contact Angle in Electrowetting. Langmuir. 18 (26), 10318-10322 (2002).
- Abdelgawad, M., Watson, M. W. L., Young, E. W. K., Mudrik, J. M., Ungrin, M. D., Wheeler, A. R. Soft lithography: masters on demand. Lab Chip. 8 (8), 1379-1385 (2008).
- Barbulovic-Nad, I., Yang, H., Park, P. S., Wheeler, A. R. Digital microfluidics for cell-based assays. Lab Chip. 8 (4), 519-526 (2008).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. 유전학. 77 (1), 71-94 (1974).
